該系列文章將討論智能手機鏡頭模組設計的挑戰，從概念和設計到制造和結構變形分析。本文是四部分系列中的第四部分，它涵蓋了相機鏡頭的顯式動態模擬，以及對光學性能的影響。使用Ansys Mechanical和LS-DYNA對相機在地板上的一系列沖擊和彈跳過程進行顯式動力學模擬，其中 LS - DYNA 用于解決跌落物理問題，然后通過STAR工具將其導入Ansys Zemax OpticStudio Enterprise，進而研究對光學性能產生的影響。

• Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 1 部分：光學設計
• Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 2 部分：使用 OpticsBuilder 實現光機械封裝
• Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 3 部分：使用 STAR 模塊和 ZOS-API 進行 STOP 分析

附件下載

聯系工作人員獲取附件

介紹

Ansys LS-DYNA (LS-DYNA)與本系列文章前面部分的Ansys工具（Ansys Zemax OpticStudio、Speos、Mechanical 和 Workbench）一起，可以將仿真工作流擴展為顯式動力學，LS-DYNA 廣泛用于各種分析，它的核心能力之一是顯式動態。Ansys LS-DYNA適用于分析涉及接觸、大變形、非線性材料、瞬態響應和/或需要顯式解決方案的問題。

LS - DYNA Workbench 系統（WB LS - DYNA）允許用戶使用 LS - DYNA 求解器對模型進行顯式動力學分析。雖然它允許在一個環境中進行預處理、求解和后處理，但該工作流需要結合使用 WB LS - DYNA 和 LS Prep - Post 進行高級后處理。

與本系列文章的第3部分“Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 3 部分：使用 STAR 模塊和 ZOS-API 進行 STOP 分析”類似，本部分也使用 Ansys Mechanical 生成 FEA 數據集。然而，第3部分的重點是使用 STAR 工具和 ZOS API 自動導入有限元分析數據，而第4部分的重點是生成顯式動力學結果，并在 Ansys Zemax 中查看光學性能。這兩個工作流程都需要 Ansys Zemax OpticStudio Enterprise 中的 STAR 工具來處理 FEA 變形。

簡介

LS-DYNA具有顯式動力學的有限元分析。

手機攝像頭的光機系統（光機設計見第 2 部分）被加載到 Ansys Workbench 中，并導入到 LS - DYNA 分析系統中。為了使碰撞模擬更真實，攝像頭系統被放置在一個更大的機身內，該機身具有常見智能手機設備的尺寸和形狀。

模擬包含攝像頭系統掉落在平坦表面上的瞬態序列。平坦表面（可能是地板）在上面的圖像中被標記為紅色，并被設置為固定支撐。固定支撐是一種邊界條件，可防止選定的幾何圖形或網格實體移動或變形。

假設物體從靜止狀態(初速度= 0)落下，僅因重力下落，那么撞擊時的速度可以用以下公式計算:

其中，v=沖擊速度，g =重力加速度（9.8 m/s2），h = 攝像機系統落下的高度。假設帶有攝像系統的手機從1.5米的高度(大約相當于一個普通人的手的高度)掉落，撞擊速度為

這導致整個手機產生以下初始變形:

以及透鏡本身的以下變形:

• 請注意，出于演示目的，視覺變形已按比例放大。

為了分析此跌落測試對光學性能的影響，需要單個透鏡的變形數據集。為了提取數據集，為每個透鏡面創建一個命名選擇。在 WB - LSDYNA 中求解模擬后，在 LS - PrePost 中讀取輸入文件和結果。LS - PrePost 是 LS - DYNA 的專用前后處理工具。在 LS - PrePost 中，運行一個腳本來將特定面（在命名選擇中定義）的變形導出為正確的格式，以便可以通過 STAR 工具將它們導入到 Ansys Zemax OpticStudio 中。

模擬涉及兩個步驟，并且從兩個步驟中都導出變形數據集：

• 沖擊分析：這是模擬時間的 0 - 0.1ms，即沖擊發生時。
• 沖擊后分析：這是沖擊狀態后 1 秒，此時允許振動衰減以避免變形中出現任何不必要的噪聲。

將 FEA 數據加載到 Ansys Zemax OpticStudio 中

在 Ansys Mechanical 中生成 FEA 數據集后，現在可以將它們加載到 OpticStudio 中。如本系列文章第 1 部分所述，名義上的手機攝像頭系統已在 OpticStudio 中設計并優化了性能。透鏡系統本身的設計基于一項專利，包含五個主要的非球面透鏡：

為了分析和比較手機攝像頭在三種主要狀態（沖擊、沖擊后和名義）下的性能，通過 OpticStudio 主窗口頂部 STAR 選項卡中的多物理場數據加載器導入 FEA 數據集。

對于代表透鏡或光學組件物理表面的每個表面，分配一個 “Surface_deformation” 數據集。由于自從 OpticStudio 導出名義幾何形狀以來坐標系沒有改變，因此為特定表面對齊數據集并設置為全局坐標系。如果不是這種情況，可以將坐標系更改為局部坐標系，或者可以應用用戶定義的變換。在將數據集分配給表面后，可以通過單擊 “OK（Fit Multiphysics Data）” 加載和擬合數據集。

分析不同狀態下的光學性能

加載和擬合多物理場數據后，現在可以分析不同狀態的性能，更重要的是進行比較。由于這是一個手機攝像頭系統，在性能分析過程中有一些分析工具可供使用。在這種情況下，使用以下分析工具進行分析和比較：

• 圖像模擬 - 此功能通過將源位圖文件與一組 PSF進行卷積來模擬圖像的形成。考慮的效果包括衍射、像差、畸變、相對照明、圖像方向和偏振。
• 波前圖 - 顯示光瞳上的波前差。
• STAR System Viewer - 顯示由于擬合的多物理場數據而導致的表面變形和光學屬性變化的系統范圍視圖。

名義系統狀態

由于透鏡系統已經針對這種狀態進行了優化，所以圖像模擬的質量非常好。波前誤差是旋轉對稱的，最大誤差為0.225波。沒有顯示變形，因為此時沒有應用多物理數據。這將作為基線和性能的“理想”狀態。

沖擊狀態

當加載來自沖擊狀態的數據集時，可以清楚地看到相機系統的性能可以被視為不可用。變形如此之大，以至于圖像模擬和波前映射的結果可以稱為“過時數據”。有趣的是，可以在 STAR System Viewer 中看到透鏡系統的變形大小。平均變形約為 0.33 毫米，對于光學系統來說形變尺度過大了，無法執行并產生任何重要的結果。

OpticStudio 中 STAR 工具的一大優勢是您可以將剛體運動的影響與表面變形的影響解耦。這可以通過 Structural Data Summary 中的簡單復選框來完成，并且可以隨時打開或關閉。在下面的動態圖中，從完整的變形數據開始，首先禁用剛體運動RBM 部分，然后一起忽略變形效果：

在上面顯示的分析結果中，包括 RBM。下面顯示了相同的分析，但這次排除了 RBM。這使您能夠觀察到高階變形，這在光學分析過程中非常重要。STAR System Viewer 現在顯示的平均變形幅度約為 0.025 毫米，這導致波前誤差約為 40 個波長，而標稱性能的波前誤差約為 1/4 波長，這仍然表明存在嚴重的光學像差。如此大的波前誤差會導致圖像質量高度下降，這在圖像模擬中可以看到。

• 聯系工作人員了解關于 RBM 變形和高階變形比較的更多信息

沖擊后狀態

沖擊后狀態的結果如下所示。

查看 STAR System Viewer 的變形矢量，仍然有趣的是，在一些鏡頭的邊緣區域仍然存在約 0.025mm 的變形幅度。然而，可以清楚地看到，最后一個鏡頭（即紅外濾光片）的幅度顯著下降。這導致性能仍然明顯低于名義狀態，但會導致更有效的結果。波前圖顯示誤差約為 ± 15 個波，這仍然遠遠超過這種光學系統的可接受限度。圖像模擬顯示了鏡頭變形與相機系統中可能發生的失真和像差之間的直接聯系。該物體是可識別的，但非常模糊。

結論

本系列文章的第 4 部分展示了如何在 Ansys Workbench 中使用 Ansys LS - DYNA 模擬手機攝像頭模塊的跌落測試的顯式動力學。使用 Ansys Mechanical 提取了沖擊和沖擊后狀態的變形數據集并進行處理，以便在 Ansys Zemax OpticStudio 中使用。在 Ansys Zemax OpticStudio 中，可以通過 STAR 模塊加載 FEA 數據集并將其分配給光學系統。這樣，光學工程師可以研究和比較光學系統在沖擊和沖擊后狀態變形影響下的性能。

后續步驟

在這個示例中，我們分析了跌落測試中的光學性能。同樣 LS-DYNA- Mechanical - Zemax 工作流程還可以應用于研究振動或累積沖擊等其他領域。